JP5539177B2 - 電磁負荷制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁負荷に供給する電流を制御する装置に関するものである。

従来から、ガソリンや軽油等を燃料とする、自動車、オートバイ、農耕機、工機、船舶機等の内燃機関制御装置において、燃費や出力向上の目的で、気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタが用いられている。このような気筒内直接噴射型インジェクタは、従来の方式と比べ、高圧に加圧した燃料を使用するインジェクタの開弁動作のために、多くのエネルギーを必要とする。また、制御性能（応答性）の向上や高回転（高速度制御）へ対応するために、短時間にこのエネルギーをインジェクタに供給する必要がある。

このようなインジェクタを駆動する回路は、昇圧回路を用いてバッテリー電圧よりも高い電圧を生成し、そこに接続されたスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動する。昇圧電圧を用いて電流を流して短時間に大電流を通電させることによりインジェクタを駆動し、高圧な筒内直接噴射を実現することができる。

下記特許文献１には、インジェクタに大電流を供給する電磁負荷制御装置の構成と動作例が記載されている。

特開２００８−１１５８４８号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、昇圧効率をなるべく良くするため、インジェクタに流れる負荷電流を昇圧回路に還流させている。また、過昇圧を防止するための放電手段を設けておき、昇圧電圧が閾値以上となったときに放電して昇圧電圧を降下させている。

このとき、放電手段に流れる放電電流を制限するものは、放電手段の抵抗成分のみとなる。そのため、放電手段の定格電流を超えた過大な放電電流が流れ、放電手段を破壊する可能性がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、放電手段を備えた電磁負荷制御装置において、放電手段を過電流によって破損させないようにすることを目的とする。

本発明に係る電磁負荷制御装置は、昇圧電圧が所定閾値以上になると、放電装置に放電させるとともに、放電電流を所定の電流閾値以下に抑えるように放電動作を制御する。

本発明に係る電磁負荷制御装置によれば、放電装置を過大な放電電流によって破損させるリスクを低減することができる。

実施形態１に係る電磁負荷制御装置の回路図である。 実施形態１に係る電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態２に係る電磁負荷制御装置の回路図である。 実施形態２に係る電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態３に係る電磁負荷制御装置の回路図である。 特許文献１に記載されている電磁負荷制御装置の回路構成を示す図である。 図６に示す電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

＜従来の電磁負荷制御装置＞
本発明の実施形態を説明する前に、比較のため、特許文献１に記載されている電磁負荷制御装置の回路構成および動作を説明する。その後、本発明の実施形態に係る電磁負荷制御装置について説明する。

図６は、特許文献１に記載されている電磁負荷制御装置の回路構成を示す図である。図６に示す電磁負荷制御装置は、インジェクタに供給する電流を通電制御する装置である。図６に示す装置は、昇圧回路を用いてバッテリー電圧よりも高い電圧を生成し、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動してその昇圧電圧を通電制御する。これにより、昇圧電圧を用いて電流を流してインジェクタを駆動し、短時間に大電流を通電させて、圧力の高い筒内直接噴射を実現している。

図６に示す電磁負荷制御装置は、バッテリー１０１、電流検出器１０４、電流検出抵抗１０６、昇圧コイル１０７、昇圧用スイッチング素子１０９、昇圧制御部１１１、昇圧用ダイオード１１２、放電手段１１３、昇圧用キャパシタ１１４、過電圧制御器１１６、電圧検出器１１８を備える。これらの構成は、バッテリー１０１が供給する電圧を昇圧して後述するＶＨハイサイドスイッチング素子１４０に昇圧電圧１１７として供給するためのものである。

昇圧コイル１０７、昇圧用スイッチング素子１０９、昇圧用キャパシタ１１４は、本発明における昇圧回路に相当する。

バッテリー１０１、電流検出抵抗１０６、昇圧用キャパシタ１１４は、アース１００に接続されている。

バッテリー１０１は、バッテリー電圧１０２を昇圧コイル１０７および後述するＶＢハイサイドスイッチング素子１４６に供給する。昇圧制御部１１１は、昇圧用スイッチング素子１０９に昇圧スイッチング信号１１０を出力して昇圧用スイッチング素子１０９をＯＮ／ＯＦＦ制御し、バッテリー電圧１０２を昇圧する動作を制御する。電流検出器１０４は、昇圧用スイッチング素子１０９を流れる充電電流１０８を、電流検出抵抗１０６の両端電位差１２０に基づき検出し、検出結果を昇圧制御部１１１に出力する。

放電手段１１３は、放電によって昇圧電圧１１７を降下させる装置であり、昇圧用ダイオード１１２に並列接続されている。過電圧制御部１１６は、放電手段１１３に過電圧放電制御信号１１５を出力して放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。昇圧用キャパシタ１１４は、昇圧電圧１１７に基づき電荷を充電する。電圧検出器１１８は、昇圧電圧１１７を検出する。昇圧電圧１１７が低下したときは昇圧低下検出信号１０５を昇圧制御部１１１に出力し、昇圧電圧１１７が過電圧となったときは過電圧検出信号１１９を過電圧制御器１１６に出力する。

図６に示す電磁負荷制御装置はさらに、インジェクタドライバ制御部１３０、ＶＨドライバ駆動部１３４、ＶＢドライバ駆動部１３５、ロウサイドドライバ駆動部１３６、ＶＨハイサイドスイッチング素子１４０、ＶＨハイサイド逆流防止ダイオード１４１、インジェクタ負荷１４２、ロウサイドスイッチング素子１４３、ＶＢハイサイド逆流防止ダイオード１４５、ＶＢハイサイドスイッチング素子１４６、還流ダイオード１４７を備える。

ＶＨドライバ駆動部１３４は、インジェクタドライバ制御部１３０が出力するＶＨハイサイド制御信号１３１にしたがってＶＨハイサイド駆動信号１３７を出力し、ＶＨハイサイドスイッチング素子１４０を駆動制御する。ＶＢドライバ駆動部１３５は、インジェクタドライバ制御部１３０が出力するＶＢハイサイド制御信号１３２にしたがってＶＢハイサイド駆動信号１３８を出力し、ＶＢハイサイドスイッチング素子１４６を駆動制御する。ロウサイドドライバ駆動部１３６は、インジェクタドライバ制御部１３０が出力するロウサイド制御信号１３３にしたがってロウサイド駆動信号１３９を出力し、ロウサイドスイッチング素子１４３を駆動制御する。還流ダイオード１４７は、インジェクタ負荷１４２）による逆起電力を昇圧側に還流させる。

図７は、図６に示す電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。以下図７を用いて、図６に示す電磁負荷制御装置の動作を説明する。

バッテリー電圧１０１が供給されると、電磁負荷制御装置が動作を開始する。昇圧スイッチング素子１０９がＯＮ／ＯＦＦすることによって、昇圧電圧１１７が生成される。昇圧電圧１１７は、図７中に示す電圧１１７ｄまで昇圧される。

図７に示すタイミング１２５でインジェクタ負荷１４２に負荷電流が供給され、インジェクタ負荷１４２の駆動が開始される。インジェクタドライバ駆動部１３０は、ＶＨハイサイド駆動信号１３１、ＶＢハイサイド駆動信号１３２、ロウサイド制御信号１３３を出力する。これに応じてＶＨ、ＶＢ、ロウサイドの各スイッチング素子１４０、１４６、１４３はそれぞれＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、図７に示す負荷駆動電流１４４をインジェクタ負荷１４２に供給する。

ＶＨハイサイド制御信号１３１によってＶＨハイサイドスイッチング素子１４０がＯＮし、昇圧用キャパシタ１１４にチャージされた電荷により昇圧電圧１１７と電流がインジェクタ負荷１４２に供給される。このとき、昇圧電圧１１７は図７に示すように次第に降下する。昇圧電圧１１７が所定の閾値１１７ａ未満まで低下すると、電圧検出器１１８がこれを検出し、電圧低下検出信号１０５を昇圧制御部１１１に出力する。昇圧制御部１１１は、昇圧スイッチング信号１１０を出力し、昇圧スイッチング素子１０９をＯＮ／ＯＦＦさせる。

電流検出抵抗１０６は、昇圧スイッチング素子１０９がＯＮになっている期間に流れる充電電流１０８を検出する。充電電流１０８が所定の充電電流閾値１０８ａに達すると、充電電流検出信号１２０が所定の閾値１２０ａに到達する。昇圧制御部１１１は、この時点で昇圧スイッチング素子１０９をＯＦＦする。この時、充電電流１０８は昇圧ダイオード１１２を介して昇圧キャパシタ１１４にチャージされ、これにより昇圧電圧１１７は所定の昇圧電圧レベル１１７ｄまで改めて昇圧される。

その後、図７に示すタイミング１２６でインジェクタ負荷１４２の駆動が終了すると、ロウサイドスイッチング素子１４３がＯＦＦする。これにより、負荷駆動電流１４４が逆起電流となって、還流ダイオード１４７を介して昇圧側へ還流される。このとき、還流電流が昇圧用キャパシタ１１４に充電され、昇圧電圧１１７が上昇する。

還流電流によって昇圧電圧１１７が上昇し続け、所定の電圧閾値１１７ｂを超えたとき、電圧検出器１１８はこれを検出し、過電圧検出信号１１９を過電圧制御部１１６に出力する。過電圧制御部１１６は、過電圧検出信号１１９に応じて過電圧放電制御信号１１５を放電手段１１３に出力する。放電手段１１３は過電圧放電制御信号１１５にしたがってＯＮとなり、放電手段１１３に放電電流１２３が流れて放電が生じる。これにともない、昇圧電圧１１７は低下する。このとき、昇圧スイッチング素子１０９はＯＦＦしており、放電電流１２３はバッテリー１０１に流れる。

昇圧電圧１１７が所定電圧１１７ｃ未満まで低下すると、電圧検出器１１８はこれを検出し、過電圧検出信号１１９をロウレベルに変更する。これにともない放電手段１１３はＯＦＦとなり、放電動作が停止する。これにより、昇圧電圧１１７の過昇圧を防止し、過昇圧による回路部品の破損を防止している。

ここで、上記放電動作において、放電手段１１３は、昇圧電圧１１７が所定電圧閾値１１７ｂ以上になるとＯＮし、１１７ｃ未満になるまでＯＮし続けることになる。放電電流１２３は、昇圧電圧１１７とバッテリー電圧１０２との電位差、および放電手段１１３の抵抗成分とで決まる値となる。昇圧電圧１１７が所定の閾値１１７ｂ以上となっている期間、この放電電流が流れ続ける。

このとき、放電電流１２３を制限するものは、放電手段１１３の抵抗成分のみとなるので、放電手段１１３に許容されている定格電流を超えた放電電流１２３が流れる可能性がある。この過大な放電電流１２３によって放電手段１１３が破損するおそれがある。

過大な放電電流１２３が流れることを防止するためには、放電手段１１３の放電動作を停止させる必要がある。しかし、図６〜図７に示す回路構成およびタイミングチャートでは、昇圧電圧１１７が閾値１１７ｂに達したか否かを基準として放電手段１１３を動作させている。そのため、放電電流１２３を必ずしも適切に制御できていない場合もあると考えられる。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る電磁負荷制御装置の回路図である。図１に示す回路は、上述の図６で説明した回路構成とは異なり、電流検出抵抗１０６が昇圧コイル１０７の上流側（バッテリー１０１に近い側）に配置されている。電流検出器１０４は、電流検出信号１０３を、昇圧制御部１１１と過電圧制御部１１６の双方に出力する。過電圧制御部１１６は、電圧検出器１１８と電流検出器１０４からの検出結果に基づき、放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

図２は、本実施形態１に係る電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。図２に示すタイミングチャートは、上述の図７に対応するものである。以下図２を用いて、本実施形態１に係る電磁負荷制御装置の動作を説明する。

昇圧制御部１１１が昇圧電圧１１７を電圧閾値１１７ｄへ昇圧するまでの動作は、図７で説明したタイミングチャートと同様である。ただし、充電電流１０８を検出する電流検出抵抗１０６の配置位置が図６と図１では異なる。

昇圧電圧１１７が上昇し続け、所定の電圧閾値１１７ｂを超えると、過電圧制御部１１６は放電手段１１３をＯＮにする。これにより、放電手段１１３に放電電流１２３が流れて放電が生じる。このとき、昇圧スイッチング素子１０９はＯＦＦしており、放電電流１２３は電流検出抵抗１０６を介してバッテリー１０１に流れる。

ここで、図１に示す回路構成では、図６に示す回路構成とは異なり、電流検出抵抗１０６を昇圧コイル１０７の上流側に配置しているので、電流検出抵抗１０６および電流検出器１０４によって放電電流１２３を検出することができる。すなわち、充電電流１０８を検出するためのものと同じ検出回路を用いて、放電電流１２３を検出することができる。

放電電流１２３が所定の電流閾値１２３ａに達すると、充電電流検出信号１２０（ここでは放電電流１２３の検出結果となっている）が所定の閾値１２０ｂに到達する。過電圧制御部１１６は、この時点で放電手段１２３をＯＦＦする。

この時、放電電流量が十分ではなく、依然として昇圧電圧１１７が所定の閾値１１７ｃ以上の電圧を保っていた場合、過電圧制御部１１６は再度過電圧放電制御信号１１５をハイにし、放電手段１１３をＯＮして放電電流１２３を流させる。

過電圧制御部１１６は、昇圧電圧１１７が所定の閾値１１７ｃ未満となるまで、放電手段１２３をＯＮ／ＯＦＦする動作を繰り返し実施する。昇圧電圧１１７が所定の閾値１１７ｃ未満となった時点で、過電圧検出信号１１９はロウになり、放電手段１１３の放電動作は停止する。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る電磁負荷制御装置によれば、電流検出抵抗１０６および電流検出器１０４を用いて放電電流１２３を検出することができる。これにより、過昇圧された昇圧電圧１１７を降下させるため放電手段１１３が放電している最中に放電電流１２３が過大となる前に、放電手段１１３をＯＦＦさせることができる。すなわち、過大な放電電流１２３により放電手段１１３を破損させるリスクを低減することができる。

また、本実施形態１に係る電磁負荷制御装置では、電流検出抵抗１０６を昇圧コイル１０７の上流側に配置しているので、単一の電流検出抵抗１０６および電流検出器１０４を用いて、充電電流１０８と放電電流１２３を双方検出することができ、回路コストや実装面積の観点で有利である。

なお、放電手段１２３と昇圧コイル１０７の間に電流検出抵抗１０６を配置しても、同様に単一の電流検出抵抗１０６および電流検出器１０４を用いて、充電電流１０８と放電電流１２３を双方検出することができる。ただし、この場合は電流検出器１０４の上流側電位が、昇圧スイッチング素子１０９のＯＮ／ＯＦＦにともないバッテリー電圧１０２になったり０になったりするので、電流検出抵抗１０６の両端電圧をもって電流検出することを考慮すると、必ずしも望ましい配置ではない。

＜実施の形態２＞
実施形態１では、放電電流１２３が所定の電流閾値１２３ｂに達した時点で放電手段１１３をＯＦＦすることにより、放電電流１２３を抑制する構成を説明した。本発明の実施形態２では、より簡易な構成で放電電流１２３を抑制する構成を説明する。

図３は、本実施形態２に係る電磁負荷制御装置の回路図である。図３に示す回路は、図１に示す回路とは異なり、電流検出抵抗１０６を、図６と同様に昇圧コイル１０７および昇圧スイッチング素子１０９の下流側に配置している。

また、過電圧制御部１１６は放電手段１１３を直接制御せず、Ｄｕｔｙ制御部１２２に対して過電圧保護信号１２１を出力する。Ｄｕｔｙ制御部１２２は、過電圧保護信号１２１にしたがって放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。放電手段１１３のＯＮデューティ期間を制御することにより、放電電流１２３を制御することができる。なお、Ｄｕｔｙ制御部１２２によってＯＮ／ＯＦＦ制御されるＤｕｔｙ比は、Ｄｕｔｙ設定手段１２２ａから出力されるＤｕｔｙ設定信号１２２ｂによって、可変する事が可能である。

図４は、本実施形態２に係る電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。以下図４を用いて、本実施形態２に係る電磁負荷制御装置の動作を説明する。

図４に示すタイミングチャートは、図２と概ね同様であるが、過電圧放電制御信号１１５を出力する動作主体が異なる。過電圧制御部１１６は、過電圧検出信号１１９がハイになると、過電圧保護信号１２１をハイにする。Ｄｕｔｙ制御部１２２は、所定のＯＮデューティ期間を有する過電圧放電制御信号１１５を放電手段１１３に出力し、放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。ＯＮデューティ期間は、例えば１０μｓ以下程度とすることができる。

放電手段１１３は、所定期間ＯＮ状態を継続した後、自動的にＯＦＦ制御される。これにより、ＯＮ期間に流れる放電電流１２３は、放電手段１１３のＯＮ抵抗値によらず、所定の電流値１２３ａ未満に制限される。過電圧放電制御信号１１５のハイ期間に対してロウ期間が長ければ長いほど、放電電流１２３の値は低くなる。

なお、本実施形態２では放電電流１２３を検出せずに放電手段１１３のデューティ制御のみによって放電電流１２３を抑制しているので、ＯＮデューティとＯＦＦデューティの比をあらかじめ適切に設定しておく必要がある。具体的には、想定しているインジェクタ負荷１４２の特性や放電手段１１３の定格などに応じて、あらかじめ放電電流１２３の範囲を予測しておき、これに基づいてデューティ比を定めるなどすればよい。この際、デューティ比の設定は、Ｄｕｔｙ設定手段を介して、例えばマイクロコンピュータ等から行う事が可能である。

＜実施の形態２：まとめ＞
以上のように、本実施形態２に係る電磁負荷制御装置によれば、昇圧電圧１１７が閾値１１７ｂを超えると、所定のデューティ比をもって放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦし、放電電流１２３を抑制することができる。

なお、本実施形態２と同様に所定のデューティ比をもって放電手段１１３を駆動制御する構成を、実施形態１の回路構成の下で用いることもできる。この場合、電流検出抵抗１０６を充電電流１０８の検出にのみ用い、放電電流１２３の検出には用いないようにすることができるので、過電圧制御部１１６の動作はより単純化される。すなわち、実施形態１では放電電流１２３が閾値１２３ｂを超えたか否かを判断する処理が短い時間内に複数発生するところ、本実施形態２ではこの判断を省略して放電手段１１３のＯＮ／ＯＦＦ制御を簡易化しているので、制御処理が全体として簡略化されている。

また、実施形態１の回路構成の下で電流検出抵抗１０６を用いて放電電流１２３を検出する場合でも、過電圧制御部１１６が放電手段１１３を直接ＯＮ／ＯＦＦ制御する構成に代えて、本実施形態２のようにＤｕｔｙ制御によって放電手段１１３をＯＮ／ＯＦＦ制御することもできる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施形態３に係る電磁負荷制御装置の回路図である。図５に示す回路は、図３に示す回路とは異なり、放電手段１１３の一端は昇圧用キャパシタ１１４と昇圧コイル１０７の間に接続され、もう一端は接地されている。その他の構成は実施形態２と同様である。

本実施形態３では、放電電流１２３はバッテリー１０１へは戻らず、ＧＮＤに流れる。この場合でも、実施形態２と同様に放電手段１１３のＯＮデューティを制御することにより、放電電流１２３を抑制することができる。なお、抵抗やコイルなどを介してＧＮＤに放電電流１２３を流すように構成し、放電電流１２３を適宜抑制するようにしてもよい。

＜実施の形態４＞
上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ＩＣカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納することができる。

例えば、昇圧制御部１１１、過電圧制御部１１６、Ｄｕｔｙ制御部１２２、インジェクタドライバ制御部１３０、ＶＨドライバ駆動部１３４、ＶＢドライバ駆動部１３５、ロウサイドドライバ駆動部１３６のうちいずれか１以上の機能部を、集積回路上に実装することもできる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

１００：ＧＮＤ、１０１：バッテリー、１０２：バッテリー電圧、１０３：電流検出信号、１０４：電流検出器、１０５：昇圧低下検出信号、１０６：電流検出抵抗、１０７：昇圧コイル、１０８：充電電流、１０９：昇圧用スイッチング素子、１１０：昇圧スイッチング信号、１１１：昇圧制御部、１１２：昇圧用ダイオード、１１３：放電手段、１１４：昇圧用キャパシタ、１１５：過電圧放電制御信号、１１６：過電圧制御部、１１７：昇圧電圧、１１８：電圧検出器、１１９：過電圧検出信号、１２０：充電電流検出信号、１３０：インジェクタドライバ制御部、１３１：ＶＨハイサイド制御信号、１３２：ＶＢハイサイド制御信号、１３３：ロウサイド制御信号、１３４：ＶＨドライバ駆動部、１３５：ＶＢドライバ駆動部、１３７：ＶＨハイサイド駆動信号、１３８：ＶＢハイサイド駆動信号、１３６：ロウサイドドライバ駆動部、１３９：ロウサイド駆動信号、１４０：ＶＨハイサイドスイッチング素子、１４１：ＶＨハイサイド逆流防止ダイオード、１４２：インジェクタ負荷、１４３：ロウサイドスイッチング素子、１４４：負荷駆動電流、１４５：ＶＢハイサイド逆流防止ダイオード、１４６：ＶＢハイサイドスイッチング素子、１４７：還流ダイオード。

Claims (4)

1. 電磁負荷に供給する電流を制御する装置であって、
   前記電磁負荷に印加する負荷電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する放電装置と、
   前記放電装置に流れる放電電流を検出する電流検出器と、
   前記昇圧回路が昇圧した電圧を検出する電圧検出器と、
   前記放電装置の放電動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出器が所定の電圧閾値以上の電圧を検出すると前記放電装置を通電して放電電流を流し、前記電流検出器が検出する放電電流が所定の電流閾値以上になると前記放電装置を非通電にして放電電流を停止させる動作を繰り返すことにより、前記放電電流を前記電流閾値以下に抑える
   ことを特徴とする電磁負荷制御装置。
2. 前記電流検出器は、
   前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に前記昇圧回路に流れる昇圧電流と、前記放電電流とを双方検出することができる位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁負荷制御装置。
3. 前記電流検出器は、前記昇圧回路の上流側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電磁負荷制御装置。
4. 前記制御部は、
   前記電圧検出器が所定の電圧閾値以上の電圧を検出すると前記放電装置を通電して放電電流を流し、所定時間経過後に前記放電装置を非通電にして放電電流を停止させる動作を繰り返すことにより、前記放電電流を前記電流閾値以下に抑える
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁負荷制御装置。

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